Aplikácia technológie kvantovej mikrovlnnej fotoniky

Aplikácia kvantovejtechnológia mikrovlnnej fotoniky

Detekcia slabého signálu
Jednou z najsľubnejších aplikácií kvantovej mikrovlnnej fotoniky je detekcia extrémne slabých mikrovlnných/RF signálov. Vďaka využitiu detekcie jednotlivých fotónov sú tieto systémy oveľa citlivejšie ako tradičné metódy. Vedci napríklad predviedli kvantový mikrovlnný fotonický systém, ktorý dokáže detekovať signály až do -112,8 dBm bez akéhokoľvek elektronického zosilnenia. Táto ultravysoká citlivosť ho robí ideálnym pre aplikácie, ako je komunikácia v hlbokom vesmíre.

Mikrovlnná fotonikaspracovanie signálu
Kvantová mikrovlnná fotonika implementuje aj funkcie spracovania signálu s vysokou šírkou pásma, ako je fázový posun a filtrovanie. Použitím disperzného optického prvku a úpravou vlnovej dĺžky svetla výskumníci preukázali, že vysokofrekvenčná fáza sa posúva až do 8 GHz a vysokofrekvenčné filtrovanie dosahuje šírky pásma až 8 GHz. Dôležité je, že všetky tieto vlastnosti sa dosahujú pomocou 3 GHz elektroniky, čo ukazuje, že výkon presahuje tradičné limity šírky pásma.

Mapovanie nelokálnej frekvencie na čas
Jednou zaujímavou schopnosťou, ktorú prináša kvantové previazanie, je mapovanie nelokálnej frekvencie na čas. Táto technika dokáže mapovať spektrum zdroja jedného fotónu čerpaného kontinuálnou vlnou do časovej domény na vzdialenom mieste. Systém využíva previazané fotónové páry, v ktorých jeden lúč prechádza spektrálnym filtrom a druhý prechádza disperzným prvkom. Vzhľadom na frekvenčnú závislosť previazaných fotónov je režim spektrálneho filtrovania nelokálne mapovaný na časovú doménu.
Obrázok 1 ilustruje tento koncept:

Táto metóda umožňuje dosiahnuť flexibilné spektrálne meranie bez priamej manipulácie s meraným svetelným zdrojom.

Komprimované snímanie
Kvantovémikrovlnná optikaTechnológia tiež poskytuje novú metódu komprimovaného snímania širokopásmových signálov. Využitím náhodnosti, ktorá je vlastná kvantovej detekcii, výskumníci demonštrovali kvantový komprimovaný snímací systém schopný obnoviť10 GHz rádiofrekvenčný signálspektrá. Systém moduluje RF signál do polarizačného stavu koherentného fotónu. Detekcia jednotlivých fotónov potom poskytuje prirodzenú náhodnú meraciu maticu pre komprimované snímanie. Týmto spôsobom je možné obnoviť širokopásmový signál s Yarnyquistovou vzorkovacou frekvenciou.

Kvantová distribúcia kľúčov
Okrem vylepšenia tradičných aplikácií mikrovlnnej fotoniky môže kvantová technológia tiež vylepšiť kvantové komunikačné systémy, ako je napríklad kvantová distribúcia kľúčov (QKD). Výskumníci demonštrovali multiplexnú kvantovú distribúciu kľúčov s podnosnou vlnou (SCM-QKD) multiplexovaním mikrovlnných fotónov a podnosnej vlny na systém kvantovej distribúcie kľúčov (QKD). To umožňuje prenos viacerých nezávislých kvantových kľúčov na jednej vlnovej dĺžke svetla, čím sa zvyšuje spektrálna účinnosť.
Obrázok 2 znázorňuje koncept a experimentálne výsledky systému SCM-QKD s dvoma nosičmi:

Hoci je technológia kvantovej mikrovlnnej fotoniky sľubná, stále existujú určité výzvy:
1. Obmedzené možnosti v reálnom čase: Súčasný systém vyžaduje veľa akumulačného času na rekonštrukciu signálu.
2. Ťažkosti s riešením jednotlivých signálov v dávkach/symboloch: Štatistická povaha rekonštrukcie obmedzuje jej použiteľnosť na neopakujúce sa signály.
3. Prevod na skutočný mikrovlnný priebeh: Na prevod rekonštruovaného histogramu na použiteľný priebeh sú potrebné ďalšie kroky.
4. Charakteristiky zariadení: Je potrebné ďalšie štúdium správania kvantových a mikrovlnných fotonických zariadení v kombinovaných systémoch.
5. Integrácia: Väčšina systémov dnes používa objemné samostatné komponenty.

Na riešenie týchto výziev a posun vpred v tejto oblasti sa objavuje niekoľko sľubných smerov výskumu:
1. Vyvinúť nové metódy pre spracovanie signálov v reálnom čase a detekciu jednotlivých signálov.
2. Preskúmajte nové aplikácie, ktoré využívajú vysokú citlivosť, ako napríklad meranie kvapalných mikroguľôčok.
3. Usilovať sa o realizáciu integrovaných fotónov a elektrónov s cieľom znížiť veľkosť a zložitosť.
4. Študujte zosilnenú interakciu svetla a hmoty v integrovaných kvantových mikrovlnných fotonických obvodoch.
5. Kombinovať kvantovú mikrovlnnú fotónovú technológiu s inými vznikajúcimi kvantovými technológiami.